DE1256733B - Diskriminatorschaltung zur Demodulation von frequenzmodulierten Schwingungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21 a4-29/01

Nummer: 1 256 733

Aktenzeichen: S 100554IX d/21 a4

^ 256 733 Anmeldetag: 18.November 1965

Auslegetag: 21. Dezember 1967

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diskriminatorschaltung zur Demodulation von phasenwinkelmodulierten, insbesondere frequenzmodulierten Schwingungen, die sich insbesondere als Breitbanddiskriminator für Vielkanal-Richtfunkverbindungen eignen.

Auf dem Gebiet der Rundfunkübertragung arbeitet man in großem Umfang und bei Fernsprech-Richtfunkverbindungen fast ausschließlich mit Frequenzmodulation. Zur Demodulierung von frequenzmodu-Herten Schwingungen verwendet man heute im wesentlichen zwei verschiedene Diskriminatortypen, nämlich Diskriminatoren mit zwei frequenzversetzten Schwingungskreisen und den Foster-Seely-Diskriminator.

Diese Schaltungsanordnungen enthalten wie auch *5 alle anderen Diskriminatorschaltungen ein frequenzselektives Netzwerk, auf das ein geeigneter Amplitudendemodulator folgt. Schaltungen dieser Art werden gewöhnlich an den Ausgang von Verstärkerstufen angeschlossen, die mit Elektronenröhren oder Transistoren bestückt sein können. Im Falle von Elektronenröhren bereitet dieses keine besonderen Schwierigkeiten, da die Ausgangskapazitäten der Röhren in die Schwingkreiskapazitäten des frequenzselektiven Netzwerkes einbezogen werden können. Bei Verwendung <*5 von Transistoren treten jedoch beträchtliche Probleme auf, da die Ausgangskapazitäten von Transistoren ziemlich stark von der Temperatur, Betriebsspannung usw. abhängen. Solche Kapazitätsänderungen gehen dann gewöhnlich unmittelbar in die Eigenschaften des nachgeschalteten Diskriminators ein, wodurch insbesondere dessen Linearität beeinträchtigt und sein Nullpunkt verändert werden.

Bei sehr breitbandigen Diskriminatoren, wie sie insbesondere für Vielkanal-Richtfunkverbindungen benötigt werden, macht die Ausgangskapazität des die zu demodulierenden, frequenzmodulierten Schwingungen liefernden Generators praktisch die ganze Eingangskapazität des frequenzselektiven Netzwerkes aus, was die obenerwähnten Schwierigkeiten noch besonders verschärft.

Sowohl beim Foster-Seely-Diskriminator als auch bei Diskriminatoren mit zwei frequenzversetzten Schwingkreisen gehen außerdem auch die Eigenkapazitäten der Demodulatordioden in das frequenzselektive Netzwerk ein, so daß sich dessen Eigenschaften auch dann in entsprechender Weise ändern, wenn sich die Diodenkapazitäten in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen ändern, was insbesondere eintritt, wenn man nicht Hochvakuumdioden, sondern Halbleiterdioden verwendet.

Man hat bisher versucht, die obenerwähnten Schwie-Diskriminatorschaltung zur Demodulation von
frequenzmodulierten Schwingungen

Anmelder:

Societä Italiana Telecomunicazioni
Siemens s. p. a., Mailand (Italien)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld und Dr. D. v. Bezold,
Patentanwälte, München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Mario Pozzetti, Monza (Italien)

Beanspruchte Priorität:

Italien vom 20. November 1964 (24 984)

rigkeiten durch Kompensationsanordnungen, Thermostaten und Stabilisierung der Speisespannungen zu überwinden, dies ist jedoch mit einem beträchtlichen Aufwand verbunden, und die Ergebnisse sind auch nicht immer zufriedenstellend.

Bei Diskriminatoren mit zwei frequenzversetzten Schwingkreisen ist es außerdem bekannt, den Diskriminator durch zwei getrennte Generatoren zu speisen. Hierdurch wird zwar die Entkopplung erleichtert, andererseits kann diese Maßnahme zu Veränderungen der Diskrirninatorkennlinie führen, insbesondere wenn in den Generatoren Elektronenröhren verwendet werden und sich die Generatoreigenschaften bei Alterung der Röhren unterschiedlich ändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß die das frequenzselektive Netzwerk bildenden Reaktanzen des Diskriminators gemäß der Erfindung weder die Eigen- oder Streukapazitäten des speisenden Generators noch die der Demodulatordioden enthalten. Gemäß der Erfindung wird als frequenzselektives Netzwerk insbesondere eine kompensierte Brückenschaltung verwendet, deren Zweige Widerstände und deren Diagonalen Reaktanzen enthalten, von denen die eine eine Polstelle entsprechend einem ersten Scheitel oder Maximum und eine anschließende Nullstelle entsprechend einem zweiten Scheitel oder Maximum der gewünschten Diskriminatorkennlinie aufweist, während die Reaktanz im anderen Diagonalzweig beim

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ersten Maximum eine Nullstelle und beim zweiten Maximum einen anschließenden Pol aufweist. Die Ausgangsspannung des Diskriminators wird aus der Differenz der Beträge der Spannungen an den Enden der an den mit dem Eingang verbundenen Brückenzweig angeschlossenen Zweige dadurch erhalten, daß man an die Enden dieser Zweige eine übliche Diodendemodulatorschaltung und an den Eingang des erfindungsgemäßen Diskriminators eine Induktivität anschließt, die im Frequenzbereich der zu demodulierenden Signale einen für die Schaltung zu vernachlässigenden Scheinwiderstand hat.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile: Die Ausgangskapazität des Generators, z.B. eines Pilotgenerators, stellt keine Reaktanz dar, die in das frequenzselektive Netzwerk des Diskriminators eingeht; die Eingangsimpedanz des Diskriminators ist praktisch ein reiner Ohmscher Widerstand, der als Arbeitswiderstand des Generators dienen kann; jeder Brückenzweig ist vom gegenüberliegenden Zweig entkoppelt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Brückenzweige aus vier Widerständen gleichen Wertes, während die erste Brückendiagonale eine Parallelschaltung aus einer Induktivität und einer Kapazität, der eine zweite Kapazität in Reihe geschaltet ist, enthält, während die zweite Brückendiagonale eine Parallelschaltung aus einer Induktivität und einer Kapazität, der eine zweite Induktivität in Reihe geschaltet ist, enthält. Gemäß einer Abwandlung können in der oben beschriebenen Schaltung einer oder beide Widerstände, die im Eingangszweig bzw. dem diesem gegenüberliegenden Zweig liegen, weggelassen werden. Man muß dann zwar auf die obenerwähnte Entkopplung zwischen den Brückenzweigen verzichten, erhält aber andererseits eine steilere Diskriminatorkennlinie. Falls eine gewisse Verschlechterung der Entkopplung und der Eingangsimpedanz der Brückenschaltung in Kauf genommen werden kann, läßt sich bei näherungsweisem Abgleich die Linearität des Diskriminators verbessern. Die Linearität kann beispielsweise dadurch verbessert werden, daß man die Singularitäten der in den beiden Brückendiagonalen enthaltenen Reaktanzen nicht genau zusammenfallen läßt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

Fig. la ein Schaltbild eines Frequenzdemodulators gemäß der Erfindung,

Fig. Ib ein Schaltbild der in dem Demodulator der Fig. la enthaltenen Brückenschaltung, die den frequenzselektiven Teil des Diskriminators bildet,

Fig. 2a und 2b spezielle Ausführungsbeispiele für die Reaktanzen X₁, X_i der Brückenschaltung,

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit von Spannungen Vad, Vbc und deren Differenz und

F i g. 4 eine Schaltungsanordnung, die einen Pilotgenerator und einen Diskriminator gemäß der Erfindung enthält.

Die in Fig. la dargestellte Schaltungsanordnung enthält eine in F i g. 1 b gesondert dargestellte Brükkenschaltung, deren Zweige vier Widerstandeii₁ bis R₁ und deren Diagonalen Blindwiderstände oder ReaktanzenZ₁ bzw. X_z enthalten. Bei geeigneter Wahl der Werte der Widerstände R₁ bis R_i und der ReaktanzenZ₁ und X_z ist es möglich, den Schein-

widerstand der Brückenschaltung an jedem der Widerstände R₁ bis R_i frequenzunabhängig zu machen und gleichzeitig jeden dieser Brückenzweige vom gegenüberliegenden Zweig zu entkoppeln. Hierfür erhalten alle Widerstände R₁ bis R_i den Wert R, und X₁, X_i werden so bemessen, daß bei Frequenzänderungen das Produkt X₁-X_i = R² ist, d. h. daß die Brückenschaltüng abgeglichen ist. Der Eingangsscheinwiderstand ist dann an jedem der Widerstände R₁ bis R_i konstant gleich , und jeder Brückenzweig ist

vom gegenüberliegenden Zweig entkoppelt. Ein einem Brückenzweig in Reihe geschalteter Spannungsgenerator E kann also im gegenüberliegenden Brückenzweig keinen Strom erzeugen.

Bei der in Fig. la dargestellten Schaltung liegt das von einem Generator I gelieferte Eingangssignal an Klemmen A, B des Widerstandes R₁, dem außerdem eine InduktivitatL₃ parallel geschaltet ist. Die sich an den Widerstand .R₁ anschließenden Brückenwiderstände R_i, R_i sind jeweils mit einer Reihenschaltung auf einem Kondensator C₃ bzw. C₄ und einer Diode D₃ bzw. D_i überbrückt. Mit den Endklemmen C, D des Widerstandes R₃ sind ungleich- artige Elektroden der Dioden verbunden. Die Verbindungspunkte F, G zwischen den Kondensatoren C_a, C₄ und den Dioden D₃ bzw. D₄ sind durch zwei miteinander in Reihe geschaltete Widerstände R₅, R_e verbunden, an deren Verbindungspunkt H eine Ausgangs- klemme angeschlossen ist. Die andere Ausgangsklemme kann beispielsweise Masse sein, in diesem Fall wird dann z.B. die Klemme B ebenfalls geerdet.

Bei den folgenden Erläuterungen wird eine Spannung V, die zwischen zwei mit Großbuchstaben be- zeichneten Schaltungspunkten auftritt, mit einem diese beiden Großbuchstaben enthaltenden Index bezeichnet.

Es ist einleuchtend, daß am Kondensator C₃ eine Spannung auftritt, die dem Betrag der Spannung Vad entspricht, d.h. Vap — \Vad\- Entsprechend gilt Vbc- — IKbc';. Berücksichtigt man nur die Spannungen der demodulierten Signale und wählt die Induktivität L₃ so, daß ihr Scheinwiderstand im interessierenden Frequenzband außer Betracht bleiben kann, so gilt Vaf = Vb f. Nimmt man ferner i?₅ = R_i an, so ist die Ausgangsspannung

Die Blindwiderstände X₁ und X_i können in der in Fig. 2a bzw. 2b dargestellten Weise aufgebaut sein. Der in Fig. 2a dargestellte Blindwiderstand enthält eine Parallelschaltung aus einer InduktivitatL₁ und einem Kondensator C₁', der ein zweiter Kondensator C₁" in Reihe geschaltet ist. Der Blindwiderstand X_i enthält wieder eine Parallelschaltung aus einer Induktivität L₈' und einem Kondensator C₂, der jedoch eine InduktivitätL₂" in Reihe geschaltet ist. Die Bedingung, daß X₁ · X_i bei Frequenzänderungen im Arbeitsbereich gleich i?² ist, kann dadurch erfüllt werden, daß man X₁ und X_i so bemißt, daß dem Pol von X₁ die Nullstelle X_i entspricht, und umgekehrt.

In F i g. 3 ist der Verlauf der zwischen den Punkten A bis F und G bis B auftretenden Spannungen, die den Beträgen der Spannungen Vad bzw. Vbc gleich sind, in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Außerdem ist der Verlauf der Differenzspannung \Vad\ — \ Vbc\ in Abhängigkeit von der Frequenz

Claims (7)

dargestellt, diese Spannung ist gemäß den obigen Ausführungen gleich 2VU. Es ist ersichtlich, daß die Differenzspannung den typischen Verlauf einer Diskriminatorkennlinie zeigt. Damit diese Kennlinie im richtigen Frequenzband liegt, soll die obenerwähnte Übereinstimmung zwischen den Singularitäten von JSf1 und Xi bei den Maximumfrequenzen ft, f2 der gewünschten Diskriminatorkennlinie bestehen. Bei J1 sollen also die Polstelle von X1 und die Nullstelle von Xi und bei /2 die Nullstelle von X1 und die Polstelle von Xi liegen. Der in F i g. 3 dargestellte Verlauf der Differenzspannung Vad — Vbc gilt für eine Eingangsspannung Vab , deren Amplitude bei Frequenzänderung konstant bleibt. Ist dies nicht der Fall, so ändern sich die Kurven, insbesondere der Verlauf der Differenzspannung, proportional zu VAb\- Diese Tatsache kann zur Verbesserung der Linearität des Diskriminators nutzbar gemacht werden, indem man den Amplitudengang des dem Diskriminatorkreis vorgeschalteten Verstärkers, z.B. eines Zwischenfrequenzverstärkers, entsprechend bemißt. F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Diskriminators in Verbindung mit einem Pilotgenerator, der einen Transistor enthält. Der in Basisschaltung arbeitende Transistor ist mittels eines durch die Ausgangskapazität des Transistors abgestimmten Transformators T1 mit dem Diskriminatoreingang gekoppelt, hierdurch ist eine optimale Belastung des Kollektorkreises des Transistors gewährleistet, und außerdem ist gleichzeitig der Punkt A für die Frequenzen des demodulierten Signals geerdet. Ein Kondensator C5, der in Reihe mit der durch die BauelementeL2", C2, L2' gebildeten Reaktanz liegt, stellt einen Kurzschluß für das Zwischenfrequenz-Eingangssignal dar und ist eingeschaltet, um die Belastung der beiden Demodulatordioden im Frequenzband der demodulierten Signale gleich zu machen. Drosselspulen Li, L5 dienen in erster Linie dazu, das Zwischenfrequenz-Eingangssignal vom Diskriminatorausgang fernzuhalten. Bei einer praktisch erprobten Ausführungsform eines Diskriminators gemäß der Erfindung ergab sich eine sehr gut lineare Diskriminatorkennlinie, deren Steilheitsabweichungen in einem Frequenzband, das ungefähr gleich einem Drittel des Abstandes zwischen den Maximumfrequenzen /l5 /2 entsprach, unter 1 % lagen. Die Stabilität der Kennlinie war sowohl zeitlich als auch bei Änderungen der Umgebungstemperatur und Betriebsspannungen sehr gut, was auf die Stabilität der die Reaktanzen X1, X2 bildenden Bauelemente zurückzuführen ist. Es sei noch erwähnt, daß von den Widerständen R1, R3 einer oder beide weggelassen werden können. Hierdurch läßt sich die Steilheit der Diskriminatorkennlinie erhöhen, die Entkopplung zwischen den Brückenzweigen wird jedoch beeinträchtigt. Patentansprüche:

1. Diskriminatorschaltung zur Demodulation von frequenzmodulierten Schwingungen mit einem frequenzselektiven Netzwerk und einer zwei Extremwerte aufweisenden Kennlinie, gekennzeichnet durch eine wenigstens annähernd abgeglichene Brückenschaltung, deren Seitenzweige Widerstände (R₁ bis R₄) und deren Diagonalzweige Reaktanzen (X₁, X₂) mit jeweils mindestens zwei

singulären Stellen enthalten, wobei eine Polstelle der ersten Reaktanz und eine Nullstelle der zweiten Reaktanz wenigstens annähernd bei der Frequenz liegen, bei der die Kennlinie einen ersten Extremwert hat, und eine auf die Polstelle folgende Nullstelle der ersten Reaktanz sowie eine auf die Nullstelle folgende Polstelle der zweiten Reaktanz wenigstens annähernd bei einer Frequenz liegen, bei der die Kennlinie einen zweiten Extremwert hat, daß ein Eingangssignal parallel zu einem ersten Seitenzweig (R₁) der Brückenschaltung zugeführt ist und daß Ausgangssignale an dem ersten Seitenzweig abgewandten Enden (C, D) eines zweiten bzw. dritten, an den ersten Brückenzweig angrenzenden Brückenzweiges (R_i, R₂) abgenommen sind.

2. Diskriminatorschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gleichrichterschaltung (Z)₃, D_i, R₅, R₁₁), die eine Diskriminatorausgangsspannung (V_u) entsprechend der Differenz der Beträge der an den Enden (C, D) des zweiten bzw. dritten Brückenzweiges auftretenden Ausgangsspannungen liefert.

3. Diskriminatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Brückenzweig (.K₁) eine Induktivität (L₃) parallel geschaltet ist, deren Impedanz im Frequenzbereich der zu demodulierenden Eingangssignale hoch und im Frequenzbereich des demodulierten Signals vernachlässigbar ist, und daß an die dem ersten Brückenzweig (R₁) abgewandten Enden (C, D) des zweiten und dritten Brückenzweiges (R₂, R_i) eine Diodendemodulatorschaltung (D₃, D_i, R₅, R_e, C₃, C₄) angeschlossen ist.

4. Diskriminatorschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (^₁ bis R_i) der Seitenzweige der Brücke unter sich gleiche Werte haben.

5. Diskriminatorschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (R₂, R_i) in den Seitenzweigen, die an den mit dem Eingangssignal gespeisten Brückenzweig (A-B) angrenzen, gleiche Widerstandswerte haben und daß der Widerstand in dem mit dem Eingangssignal gespeisten Brückenzweig (A-B) und/ oder in dem dem letztgenannten Brückenzweig gegenüberliegenden Brückenzweig (C-D) vergleichsweise groß oder unendlich ist.

6. Diskriminatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diagonale der Brückenschaltung eine Kapazität (C₁"), der eine Parallelschaltung aus einer Induktivität (L₁) und einer weiteren Kapazität (C₁') in Reihe geschaltet ist (Fi g. 2a), während die zweite Brückendiagonale eine Induktivität (L₂") enthält, der eine Parallelschaltung aus einer weiteren Induktivität (L₂') und einer Kapazität (C₂) in Reihe geschaltet ist.

7. Diskriminatorschaltung nach Anspruch 3 oder Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dem ersten Brückenzweig (R₁) parallelgeschaltete Induktivität aus einem Teil eines Anpassungstransformators (T₁), insbesondere Spartransformators, gebildet ist, der den Ausgang eines das Eingangssignal liefernden Generators an den Eingang der Diskriminatorschaltung anpaßt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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